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基片集成波导槽阵列天线的仿真研究
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HFSS15在基片集成波导单脉冲馈电网络仿真中的应用
&&&&来源：ANSYS&&&&作者：&&&&&&&&&&&&
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本文介绍了基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）以及单脉冲天线的基本工作原理。重点对基片集成波导金属化孔的网格划分进行了仿真分析，并以此为基础，根据工程需求设计了Ku波段的电大尺寸馈电网络，测试结果表明了模型优化的可行性，同时也再次验证了HFSS软件对基片集成波导电路的设计起着极为重要的作用。
&&& Hirokawa和Ando于1998年首先提出了基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW），即在介质基片中制作两排金属化通孔，与上下表面围成准封闭的导波结构。相对于传统的金属波导，SIW体积小、重量轻；同时，相对于微带线等传统电路，SIW损耗小、辐射低。吴柯教授以及其他的专家学者对SIW进行了数值分析、建模及特性分析，并实现了各类高性能的器件，例如滤波器、定向耦合器、移相器、天线单元及阵列等。然而在实际工程应用中，单一器件往往不能满足系统需求，各组件、部件乃至各子系统一般都要求尽可能使用同一种传输线，从而保证内部连接更为紧凑，使得损耗更小，性能稳定。由于基片集成波导的结构包含大量金属化圆孔，仿真软件在仿真的时候，往往导致计算机内存不够而运行终止，或者占用内存较大而降低仿真效率。本文基于上述考虑，结合单脉冲网络的项目需求，运用HFSS软件，采用优化设计模型，设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后，测试结果和仿真结果基本吻合，从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性，也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。
2 基于基片集成波导的单脉冲馈电网络
2.1基片集成波导
图1 基片集成波导结构
&&& 基片集成波导（Substrate integrated waveguide，SIW）是一种新的微波传输线形式，其利用金属过孔或金属柱，在介质基片上实现波导的场传播模式，如图1所示。由于其传播模式和传统的金属波导相同，因此在电性能上，其等效为一段填充有介质的金属波导，等效宽度可由等效公式进行计算。
公式1 等效宽度的计算公式
&&& 其中a'为基片集成波导的宽度,W是金属化孔间距，R是金属化孔的半径，而a为填充介质的等效金属波导宽度。为提高仿真效率同时防止电磁波从金属化孔间泄露，一般取3R&W&4R。
2.2单脉冲馈电网络
图2 单脉冲网络
&&& 在机载和弹载系统中，广泛采用平板式的单脉冲天线，如图2所示。这种单脉冲天线在物理上被划分成四个象限（1-4），每个象限射频信息（E1-E4）通过多层馈电网络合成后汇聚到单脉冲比较器（I-III），单脉冲比较器作为整个单脉冲天线的关键部件，把四个象限的射频信号合成为一个和波束（E&S），两个正交差波束（E&D&、E&D&）方向图。
3 单脉冲馈电网络的HFSS仿真
3.1优化模型
图3 基片集成波导的网格划分
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南京邮电大学
硕士学位论文
基片集成波导/微带转换接头设计研究
姓名：徐苏娜
申请学位级别：硕士
专业：电磁场与微波技术
指导教师：程崇虎
座机电话号码
南京邮电人学硕：i 研究生学位论文
近年以来，基片集成波导 Substrate
Integrated
波导演变而来的。与矩形波导不同的是，它采用双排平行的周期金属通孔的结构来限制电磁
波的传输，起到了电壁的作用，将电磁波限制在壁内空间传播。基片集成波导结构兼有矩形
波导的高品质因数和微带线结构的易于加工、集成、成本低廉的优点。目前基片集成波导已
经在微波毫米波领域获得了广泛的应用，主要用于滤波器、功分器、定向耦合器等微波常用
元件的设计。
SIW与微带线经常结合在一起使用，因此SIW与微带线的转换接头是一种常用的微波元
件。现有的基片集成波导与微带线的转换接头大多设计在同一平面上，微带线通常采用阶梯
形渐变结构。这种转换接头平面尺寸偏大，为此本文研究了层叠结构的转换接头。异面结构
馈电将馈电结构换到另一层平面上，减小了在同一平面上的面积，从而减小了器件的体积，
便于集成。
本文在对基片集成波导与微带线转换研究的基础上，讨论了若干常用的平面馈电方式以
及异面馈电方式：缝隙耦合馈电。在基片集成波导上表面开沿窄壁的缝隙，并在上方利用微
带线进行馈电。在本文中，对SIW的平面转换方式和异面转换方式进行
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本文基于上述考虑，结合单脉冲网络的项目需求，运用HFSS软件，采用优化设计模型，设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后，测试结果和仿真结果
HFSS15在基片波导单脉冲馈电中的
[导读] 本文基于上述考虑，结合单脉冲的项目需求，运用HFSS软件，采用优化设计模型，设计了基片波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后，测试结果和结果基本吻合，从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性，也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。
Hirokawa 和Ando于1998年首先提出了基片集成波导(Substrate Integrated
Waveguide,SIW)，即在介质基片中制作两排金属化通孔，与上下表面围成准封闭的导波结构。相对于传统的金属波导，SIW体积小、重量轻;同
时，相对于微带线等传统电路，SIW损耗小、辐射低。吴柯教授以及其他的专家学者对SIW进行了数值分析、建模及特性分析，并实现了各类高性能的器件，例
如滤波器、定向耦合器、移相器、天线单元及阵列等。然而在实际工程中，单一器件往往不能满足系统需求，各组件、部件乃至各子系统一般都要求尽可能使用
同一种传输线，从而保证内部连接更为紧凑，使得损耗更小，性能稳定。由于基片集成波导的结构包含大量金属化圆孔，仿真软件在仿真的时候，往往导致计算机内
存不够而运行终止，或者占用内存较大而降低仿真效率。
本文基于上述考虑，结合单脉冲网络的项目需求，运用HFSS软件，采用优化设计模型，设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后，测试结果和仿真结果基本吻合，从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性，也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。
2、基于基片集成波导的单脉冲馈电网络
2.1、基片集成波导
图1、基片集成波导结构
基 片集成波导(Substrate integrated
waveguide，SIW)是一种新的微波传输线形式，其利用金属过孔或金属柱，在介质基片上实现波导的场传播模式，如图1所示。由于其传播模式和传统
的金属波导相同，因此在电性能上，其等效为一段填充有介质的金属波导，等效宽度可由等效公式进行计算。
公式1 等效宽度的计算公式
其中a'为基片集成波导的宽度,W是金属化孔间距，R是金属化孔的半径，而a为填充介质的等效金属波导宽度。为提高仿真效率同时防止电磁波从金属化孔间泄露，一般取3R&W&4R。
2.2、单脉冲馈电网络
图2、单脉冲网络
在机载和弹载系统中，广泛采用平板式的单脉冲天线，如图2所示。这种单脉冲天线在物理上被划分成四个象限(1-4)，每个象限射频信息(E1-E4)通过多层馈电网络合成后汇聚到单脉冲比较器(I-III)，单脉冲比较器作为整个单脉冲天线的关键部件，把四个象限的射频信号合成为一个和波束(E&S)，两个正交差波束(E&D&、E&D&)方向图。
3、单脉冲馈电网络的HFSS仿真
3.1、优化模型
图3、基片集成波导的网格划分
大 型基片集成波导电路往往金属化孔的数量较多，这些金属化孔是弧面。在HFSS中，为了保证仿真的精度，弧面所需的网格数量往往远大于平面。图3是工作在X
波段的基片集成波导传输线。基片宽度14mm，金属化孔的半径为0.25mm，默认的圆柱面的划分为0，网格数量为19953，从图中也可以明显看出金属
化孔的区域自适应的加密程度远大于其它区域。
优化模型的关键在于调整圆柱面的划分数量，从而使得网格的数量下降到计算机内存可接受的程度，
但是同时又要保证仿真的正确性。图4是对图3所示传输线进行仿真的结果，对于金属化孔，默认的圆弧面网格划分数量为16。从图4中可以看出随着划分数量从
16降低到6，网格划分对应的数量从19953降低到5455，而回波损耗的误差约0.5dB左右，插入损耗误差小于0.02dB，相位的误差小于1度。
当然，不同复杂程度的模型对应不同程度的误差量级，因此兼顾到效率和运算精度，最终取圆弧面的网格划分数量为10。
图4、圆弧面网格划分不同数量下的仿真结果。a)回波损耗;b)插入损耗;c)相位差异;d)网格数量
3.2、设计实例
工程实际需求的基片集成波导单脉冲馈电网络工作在Ku波段，它主要由四个3-dB电桥，四个90度移相器，以及四个1：8功率分配网络组成，如图5(a)所示。其中输入口为端口1-4，共四个，1口为E&S，2口和3口分别为E&D&和E&D&，
而4口称为Q口，一般接匹配负载;输出口为端口5-36，共32个。图5(b)为整个系统在HFSS中的仿真模型，其中1-4口，SSMA水平输
入，5-36口SMP垂直输出，基片集成波导主体电路通过基片集成波导/微带过渡到同轴端口。设计的印制板采用厚度为1.016mm的Rogers
RT-6002，该介质板介电常数为2.94，由于参杂了陶瓷粉，因此质地较硬，同时相位的温度稳定性较好，特别适合高频使用。由于本设计要求工作在Ku
波段，因此金属化孔的半径为0.2mm。采用IBM服务器X20，64G内存)最终经过8次的迭代，如图5(c)所示。
图5、基片集成波导单脉冲网络的原理图(a)，仿真模型(b)，仿真收敛状态(c)以及实物图(d)
人力资源师
(责任编辑：sunning)
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